Скорость мысли. Грандиозное путешествие сквозь мозг за 2,1 секунды

Математическая база сложная, но идея проста. У нас есть гипотетические нейроны, большинство из них – возбуждающие, а остальные – тормозные, и мы случайным образом соединили их вместе. Тогда все, что нам нужно сделать, – это гарантировать, что сумма входящих сигналов для каждого нейрона больше, чем ему требуется для создания импульса. Для балансировки затем создается сеть петель отрицательной обратной связи, по которой приходят импульсы, сдерживающие нейрон от возбуждения. Это работает следующим образом: скажем, некоторые возбуждающие нейроны отправляют много импульсов. Эти импульсы инициируют тормозные нейроны, создающие импульсы, которые по петле обратной связи возвращаются к этим возбуждающим нейронам и подавляют их. Но они не могут слишком сильно подавить все возбуждающие нейроны, потому что тогда сами тормозные нейроны перестанут получать входящие сигналы и соответственно перестанут генерировать импульсы. Но тогда возбуждающие нейроны снова заработают, и тормозные нейроны должны будут активироваться. Этот парадокс подразумевает, что для всей сети существует такое самосогласованное состояние, когда каждый из тормозных и возбуждающих нейронов посылает только такое количество импульсов, чтобы между возбуждением и торможением в сети наблюдался баланс. Сейчас мы знаем, что сбалансированное состояние возбуждающих и тормозных входных импульсов для каждого нейрона означает выдачу им импульсов с нерегулярными интервалами. Более того, эта теория показала, что сбалансированные через отрицательную обратную связь сети – самые надежные системы: вам не нужна точная настройка силы тормозных и возбуждающих входов; вам не нужно возиться с деталями того, как нейроны создают импульсы. Просто сделайте очень много входов для каждого нейрона, добавьте обратной связи, и – вуаля – баланс.

Затем начали поступать экспериментальные данные, поскольку нейробиологам не терпелось проверить эти теории. Записи сигналов нейронов разных частей коры головного мозга, от зоны, отвечающей за вибриссы крыс [63], и зоны зрения хорька [64] до участка, отвечающего за слух [65], продемонстрировали одно и то же: общее количество возбуждения и торможения, поступающее в нейрон коры, примерно сбалансированно.

Эти сложные, изящные эксперименты вызвали неожиданный поворот, отбросив мяч обратно на площадку теоретиков. Теории говорили о балансе в целом; что в среднем общее количество торможения и возбуждения в сети нейронов уравнивают друг друга. Но данные экспериментов продемонстрировали, что подобный баланс, кажется, существует на входе в каждый нейрон. И он не просто поддерживается, но до абсурда точен: по мере того как количество возбуждения сокращается или растет, количество торможения точно его отслеживает [66].

Рассказ о парадоксе нерегулярных импульсов – прекрасный пример того, как по-настоящему работает наука, как происходит всплеск творческих теорий, порожденных четко поставленной проблемой, как идет диалог между теорией и экспериментом. Диалог, открывший зону Златовласки в мозгу. Итак, мы знаем, что наш импульс, пришедший из сетчатки и вызвавший небольшой всплеск электрического потенциала, присоединяется к сотням других импульсов, приходящих на то же дендритное дерево, совместно вызывая ураган скачков потенциала, удерживаемых в равновесии, чтобы создать новый импульс.

Нейронный оркестр

Если вы действительно хотите получить импульс от нейрона, самый эффективный путь – одновременная подача сигналов на все его возбуждающие входы. Чем лучше синхронизированы эти входы, тем быстрее будут накапливаться скачки потенциала и тем меньше вам потребуется входящих импульсов для создания исходящего. Если вы решите разработать для импульсов надежный способ посылать важные сообщения в мозг, то в первую очередь надо предусмотреть в своем проекте синхронизацию. Синхронизируйте импульсы, поступающие к нейрону, и их сообщение будет надежно передано дальше в порожденном ими импульсе.

Если эволюция следовала подобному плану, мозг должен быть нейронным оркестром [67]. В нем должны быть хористы – нейроны, сливающиеся в гармонии, несущие мощное крещендо своих импульсов в общем хоре. А возможно, и нейроны-солисты, развивающие главную тему в блаженном одиночестве.

Как ни странно, они есть. И, записывая активности множества нейронов одновременно, мы можем выяснить роль каждого из них в оркестре. Совместная лаборатория Маттео Карандини и Кеннета Харриса в Университетском колледже Лондона, в исследовании под руководством Михаила Окуня, придумала обезоруживающе простой способ распределить эти роли [68]. Они просто проверили, насколько похоже срабатывание каждого нейрона на усредненную активность области, в которой он находится. И обнаружили непрерывный континуум: на одном конце хор – нейроны, покорно копирующие рост и падение активности своей зоны; на другом – солисты с уникальными партиями.